Nākamā optisko šķiedru paaudze

No pirmā acu uzmetiena šie jaunie materiāli ir vienkārši dīvaini: plāni kā mats, caurspīdīgi un caurumu pilni. Tāpat kā optiskās šķiedras, kas ir telekomunikāciju nozares galvenais balsts, tās ir izgatavotas no stikla. Taču līdzības ar parastajiem materiāliem apstājas.



Katras šīs jaunās šķiedras centrs, kas izgatavots Batas Universitātē Anglijā, ir dobs. Esošajās optiskajās šķiedrās gaisma tiek pārraidīta caur stikla serdi. Bātā ražotajās šķiedrās gaisma netraucēti pārvietojas pa gaisu. Gaismas stars ir ierobežots ar dobu kodolu ar caurumiem apkārtējā stikla materiālā, kas šķērsgriezumā izskatās kā šūnveida un rada gaismai stingri aizliegtu apgabalu. Spēja šādā veidā ierobežot gaismu gaisā, saka Filips Rasels, Bath fiziķis, varētu pilnībā mainīt telekomunikācijas.

5 patenti, kas jāskatās

Šis stāsts bija daļa no mūsu 2001. gada maija numura





  • Skatiet pārējo izdevuma daļu
  • Abonēt

Satraukuma iemesls ir tāds, ka vismaz principā gaismas sūtīšana pa gaisu, nevis caur stiklu varētu ievērojami palielināt mūsdienu ātrgaitas telekomunikāciju tīklu efektivitāti un jaudu. Šiem jaunajiem materiāliem, ko sauc par fotoniskām kristāla šķiedrām, vajadzētu izplūst mazāk gaismas un pārvadāt intensīvākus gaismas impulsus bez kropļojumiem, samazinot vajadzību pastāvīgi palielināt signālu — tas ir dārgs darbs mūsdienu optiskajos tīklos. Fotoniskām kristāla šķiedrām jāspēj pārraidīt daudz vairāk informācijas pa optisko šķiedru tīkliem, vienlaikus samazinot uzstādīšanas un uzturēšanas izmaksas. Tie būs uz esošajām šķiedrām, tāpat kā 10 joslu automaģistrāle ir uz lauku joslu. Tie ne tikai uzņems lielāku satiksmi, bet arī brauciens būs raitāks un būs mazāka vajadzība uzpildīt degvielu.

Šīs jaunās paaudzes optisko šķiedru izstrāde joprojām ir agrīnā stadijā. Pat vismodernākie no jaunajiem materiāliem paliek vairākus gadus pēc plaši izplatītas komerciālas izmantošanas. Taču optiskās telekomunikācijas ir apdraudētas vairāku miljardu dolāru biznesā — vairākas rūpnieciskās laboratorijas, tostarp Kornings un nedaudzi jaunuzņēmumi, cītīgi meklē savas fotonisko šķiedru versijas. Lai gan ir pāragri prognozēt, kura gūs virsroku, Batas Universitātē un MIT izstrādātās konkurējošās pieejas jau sacenšas, lai kļūtu par rītdienas optisko šķiedru.

Šie centieni var dot augļus telekomunikāciju nozarei tieši laikā. Lielais tālsatiksmes optisko datu pārraides paplašināšanās pēdējos gados, ko veicinājusi interneta attīstība un tā joslas platumu ierobežojošas lietojumprogrammas, ir likusi pētniekiem atrast veidus, kā uzņemt vairāk gaismas un sarežģītākus signālus, izmantojot optiskās šķiedras ( skat Viļņa garuma dalīšanas multipleksēšana , TR 1999. gada marts/aprīlis ). Taču daudzi eksperti uzskata, ka nākamajās desmitgadēs būs neiespējami izspiest no pašreizējās paaudzes stikla šķiedru veiktspēju. Lai gan ir grūti precīzi paredzēt, kad tiks sasniegts šķērslis, Korninga pētniecības laboratorijas Ņujorkā zinātnieks Džims Vests noteikti uzskata, ka mēs sasniegsim šīs robežas. Un tieši tad nākamās paaudzes šķiedru optikas būs ļoti svarīgas, lai barotu pasaulē šķietami bezgalīgo apetīti pēc joslas platuma.



Viegla saruna

Lai gan fotoniskās šķiedras ir nākamās paaudzes tehnoloģija 2001. gadā, balss datu pārraides, izmantojot gaismu, vēsture sniedzas vairāk nekā gadsimtu senā pagātnē. Pēc tālruņa izgudrošanas 1876. gadā Aleksandrs Grehems Bells negulējās uz lauriem. 1880. gadā viņš parādīja, ka gaisma, nevis elektrība, var nest cilvēka vārdus tālu ausī. Bela fotofons izmantoja vibrējošus spoguļus, lai pārraidītu skaņu caur saules gaismu. Bet tā bija ideja ilgi pirms sava laika. Elektrisko signālu sūtīšana pa vara kabeļiem izrādījās daudz uzticamāka, un fotofons lielā mērā tika aizmirsts, jo telefona līnijas iejauca pasauli.

Pēc astoņas desmitgades ilgas vara stieples pārākuma, rubīna lāzera izgudrojums 1960. gadā atkal radīja gaismu komunikācijas darba kārtībā. Šeit bija pietiekami spilgts avots, lai gaisma patiešām liktu lietā. Tāpat kā tranzistors ievadīja mikroelektronikas laikmetu, lāzers izraisīja fotonikas laikmetu. 1970. gadā Kornings lepni paziņoja, ka ir nosūtījis lāzera staru lejup pa stikla šķiedru un atguvis pat vienu procentu gaismas otrā galā kilometra attālumā (mūsdienu stikla šķiedras ir tik efektīvas, ka 80 procenti gaismas izdzīvos. attālums). Līdz 1980. gadiem telefonu kompānijas sāka aizstāt vara kabeļus ar optiskām šķiedrām.

Optiskā šķiedra var pārvadāt tūkstošiem reižu vairāk datu nekā vara kabelis: principā viena šķiedra var pārraidīt līdz 25 triljoniem bitu sekundē. Ar to pietiek, lai veiktu visas tālruņa sarunas, kas jebkurā brīdī notiek ASV — ar brīvu vietu. Nav brīnums, ka pasaules informācijas tehnoloģiju tīkls tiek austs no gaismu nesoša stikla.



Parastajā optiskajā šķiedrā gaismu ierobežo silīcija dioksīda iekšējā stienī ar stikla apšuvumu, kura sastāvs nedaudz atšķiras no kodola sastāva. Parasti kodolam tiek pievienots neliels daudzums germānija vai fosfora (process, ko sauc par dopingu), piešķirot tam atšķirīgu refrakcijas koeficientu nekā apšuvumam. Gaisma, kas saskaras ar saskarni starp serdi un apšuvumu, tiek atstarota, tāpēc signāls atlec uz priekšu un atpakaļ un paliek kodolā. Informācija tiek kodēta virknē impulsu no elektroniski vadāmiem lāzeriem un izšauj šķiedru uz fotodetektoru otrā galā, kas pārvērš signālu atpakaļ elektriskā formā, lai to apstrādātu tālrunī, datorā vai maršrutēšanas ierīcē.

Izklausās lieliski. Tātad, kur ir loms? Tas ir robežu jautājums. Tā kā sakaru tīkli kļūst lielāki, noslogoti un vērienīgāki, kļūst acīmredzami parasto stikla šķiedru trūkumi, un esošie optisko šķiedru tīkli galu galā nespēs tikt galā. Viens no faktoriem, kas ierobežo veiktspēju, ir gaismas signāla izbalēšana attālumā. Noteikts gaismas daudzums ir izkliedēts — silīcija dioksīda piemaisījumi traucē signāla pārraidi, kad tas pārvietojas caur stikla serdi; cita gaisma vienkārši izplūst no šķiedras, jo saskarne starp stikla serdi un apšuvumu nav ideāls spogulis.

Ja šie zaudējumi netiks novērsti, tie sabojātu tālsatiksmes optiskās šķiedras sakarus: astoņdesmit procenti pārraides kilometra garumā atstātu mazāk nekā signāla spoku transatlantiskā kabeļa tālākajā galā. Atbilde ir pastiprināt gaismu ik pēc 70 kilometriem. Bet pastiprinātāji ir dārgi, un tiem ir nepieciešami savi strāvas avoti ( skat 5 novērojami patenti: pastiprinātāji ). Katrs pastiprinātājs tālsatiksmes pārvades līnijas cenai parasti pievieno miljonu dolāru. Tūkstošiem kilometru garam kabelim tas sāk pievienoties reālai naudai. Un, kad Atlantijas okeāna vidusdaļā sabojājas pastiprinātājs, nekas cits neatliek, kā izsūtīt kuģi, lai padziļinātu kabeli. To salabošana okeāna dzelmē maksā milzīgu naudu, saka Batas Rasels.

Šī biedējošā ekonomiskā realitāte ir stimuls jaunās paaudzes šķiedru attīstībai. Kembridžā, MA bāzētā OmniGuide Communications, ko pagājušajā gadā dibināja vairāki MIT profesori, apgalvo, ka tās jaunās šķiedras spēs samazināt zaudējumus tik zemus, ka nebūtu nepieciešama nekāda pastiprināšana. Turklāt uzņēmums saka, ka izmantojamais joslas platums būs ievērojami lielāks nekā esošajās optiskajās šķiedrās. Viltība ir noņemt stikla šķiedras serdi un aizstāt to ar - labi, neko.

Tīrs gaiss

Tas izklausās tik pašsaprotami. Gaisma pārvietojas pa gaisu ar nelielu izkliedi. Tātad, kāpēc gan vienkārši nenosūtīt lāzera gaismu pa dobu stikla cauruli? Atbilde slēpjas fizikā. Lai sasniegtu iekšējo atstarošanos, kas nepieciešama, lai gaismu ierobežotu parastās optiskās šķiedras centrā, apšuvumam jābūt ar zemāku laušanas koeficientu nekā iekšējai videi. Bet visiem zināmajiem materiāliem ir augstāks laušanas koeficients nekā gaisam. Tātad parastais izkārtojums nedarbojas dobu šķiedru izgatavošanā.

Tas nozīmē, ka ir nepieciešama netradicionāla pieeja. Ievadiet fotonisko kristālu šķiedras. Pētnieki visā pasaulē ir aizņemti, ražojot materiālus, kas darbojas kā gaismas izolatori, kas ir necaurlaidīgi gaismai, tāpat kā lielākā daļa plastmasas ir necaurlaidīgas elektriskās strāvas iedarbībai. Fizikas žargonā šiem gaismas izolatoriem ir fotoniskā joslas sprauga, kas atbilst konkrētiem gaismas viļņu garumiem; tie viļņu garumi vienkārši nevar iekļūt materiālā. Ja tie ir izgatavoti pareizi, šiem materiāliem atšķirībā no stikla šķiedru apšuvuma praktiski nevajadzētu ļaut gaismai izplūst no tajos iesaiņotas tukšas serdes.

Protams, daudzas vielas neļaus gaismai iziet cauri; bet tas parasti ir tāpēc, ka materiāli vienkārši absorbē gaismu, nevis to atstaro. Un, lai gan jūs varētu uzskatīt, ka metāliski spoguļi — sudrabots stikls — ir labi gaismas atstarotāji, patiesība ir tāda, ka tie ne tuvu nav pietiekami atstarojoši, lai darbotos optiskās šķiedras jomā; tie absorbē un izkliedē nelielu, bet nozīmīgu ienākošā stara daļu. Gaismas signāls, kas virzās pa sudraba pārklājumu stikla cauruli, nobrauktu tikai nelielu attālumu, pirms pilnībā izkliedētu. Savukārt materiāli ar fotonisko joslu spraugu bloķē visus noteikta viļņa garuma fotonus; pretimnākošā gaisma tiek atstarota gandrīz ideāli. Citiem vārdiem sakot, tie ir paredzēti gaismas ierobežošanai dobā caurulē.

1998. gadā Yoel Fink, toreizējais MIT maģistrants, izgatavoja perfektu spoguli no materiāla ar fotonisko joslu spraugu. Citi iepriekš bija izgatavojuši specializētus spoguļus no plāniem dielektrisku materiālu slāņiem (materiāliem, kas satur elektriski lādētas daļiņas, bet kuriem ir izolācijas īpašības). Šiem spoguļiem ir fotonisko joslu spraugas, un tie var būt ļoti efektīvi atstarotāji, taču tiem ir liela nepilnība: tie darbojas tikai tad, ja gaisma ir pilnīgi pretēja, ierobežojot to izmantošanu specializētos lietojumos. Finks izdomāja, kā izveidot dielektriskā spoguļa versiju, kas atstaro gaismu, kas pie tā nāk no visiem leņķiem, kā materiālam vajadzētu būt optiskās šķiedras pavediena kodolā.

cik ātri apstrādā smadzenes

Kad jums ir šāds spogulis, komerciālā potenciāla redzēšana (vismaz fotonikas pētniekiem) ir acīmredzama. Finks un pāris viņa MIT profesori, fiziķis Džons Džoannopuls un materiālu zinātnieks Edvīns Tomass, kā arī Uri Kolodny bija OmniGuide līdzdibinātāji. Uzņēmuma mērķis ir izmantot perfektu spoguli kā optiskās šķiedras apšuvumu. Iedomājieties, ka paņemat plakanu spoguli un saliekat to ap caurules iekšpusi, un jums ir neapstrādāts OmniGuide šķiedras attēls.

Tātad, cik mazi ir gaismas zudumi šādā nākamās paaudzes šķiedrā? Tā kā uzņēmums joprojām ir sākuma stadijā, dibinātāji glabā šo informāciju tuvu savām lādes. Joannopuls saka, ka šajā posmā es varu pateikt tikai to, ka ar dobu cauruļu OmniGuide [šķiedru] mēs principā varētu panākt mazākus zudumus nekā optiskā šķiedra. Taču telekomunikāciju nozarei, kas vēlas virzīt arvien vairāk gaismas caur optiskajiem tīkliem un galu galā saskaroties ar pašreizējās paaudzes šķiedru ierobežojumiem, pat šādi rūpīgi formulēti izteikumi ir vilinoši.

Uzņēmums izstrādā virkni šķiedru produktu, pamatojoties uz OmniGuide koncepciju. Šīs šķiedras teorētiski ir daudz efektīvākas gaismas pārraidē nekā standarta optiskā šķiedra. Patiešām, tiem jāspēj pārvarēt pašreizējos stikla šķiedru ierobežojumus, cita starpā panākot mazāku signāla zudumu, gaismai virzoties pa šķiedru. Šāda paaugstināta veiktspēja ir iespējama, saka Finks, tagad MIT materiālu zinātnes docents, jo mēs varam sasniegt nepārspējamu ieslodzījuma pakāpi.

OmniGuide šķiedrām jāspēj pārraidīt daudz intensīvākus signālus nekā parastajām optiskajām šķiedrām. Augstas intensitātes gaisma, kas pārvietojas pa stikla šķiedrām, cieš no kropļojumiem, kas var traucēt signālu pārraidi dažādos viļņu garumos, izraisot sarunu starp kanāliem, ja vien tie nav plaši atdalīti pēc frekvences. Šis efekts ierobežo dažādu viļņu garumu skaitu, ko varat ievietot parastajā stikla šķiedrā, un arī to, cik spilgti tie var būt. Tā kā signāli gaisā necieš šos efektus, Fink skaidro, ka OmniGuide šķiedra var pārraidīt signālus ar lielāku jaudu, kanāliem atrodoties tuvāk viens otram. Tā ir lieliska ziņa telekomunikāciju uzņēmumiem, jo ​​spēcīgāki signāli virzās tālāk, pirms zaudējumi sāk tos apdraudēt, un tuvāki kanāli nozīmē, ka noteiktā viļņa garuma diapazonā var ievietot vairāk datu.

Tomēr MIT pieeja ir tikai viens veids, kā izveidot fotonisko šķiedru. Citi pētnieki ir izgatavojuši materiālus ar fotonisko joslu spraugu, kas šķērsgriezumā ir kā šūnveida šūna, kurā caurumi veido struktūras, kas liedz iekļūšanu noteikta viļņa garuma gaismai. Šāda veida fotoniskie kristāli, kas pirmo reizi tika izgatavoti 1980. gadu beigās, arī gandrīz pilnībā bloķē gaismu. Piemēram, Stikla šķiedras, kas izgatavotas Batā, tiek caurdurtas ar sakārtotu caurumu kopumu, kas atrodas paralēli vītnei visā tā garumā; centrā ir tukšs kodols, kurā gaismu var gandrīz ideāli ierobežot. Lai sniegtu dažas norādes par šķiedru izgatavošanas precizitāti, ja garie, paralēlie caurumi būtu Angliju un Franciju savienojošā kanāla diametrs, Bātā izgatavotās eksperimentālās šķiedras sasniegtu Jupiteru. Kā var izurbt tik perfektus tuneļus caur stikla šķipsnu, kas ir plānāka par cilvēka matu?

Par laimi, caurumi vispār nav jāurbj. Tie ir ģeniāli konstruēti, izvelkot stikla šķiedras no dobu kapilāru cauruļu saišķa. Caurules ir iepakotas kopā sešstūra masīvā dažu centimetru platumā, un saišķis tiek uzkarsēts, lai stikls kļūtu mīkstāks. Kad masīvs tiek izvilkts smalkā šķiedrā, tā šķērsgriezums samazinās apmēram tūkstoš reizes, bet paliek caurumiem.

Sākotnēji Bath fiziķi šķiedras kodolā izveidoja gaismu vadošu kanālu, centrālo stikla kapilāru aizstājot ar cietu stikla stieni. Bet tomēr labāk nekā gaismas pārnešana cietā kodolā būtu sūtīt to caur dobu kodolu caur gaisu ar ļoti zemiem zudumiem un bez traucējumiem. Sadarbībā ar Duglasu Allanu, Korningas pētnieku, Bath komandai 1999. gadā izdevās panākt gaismas ierobežošanu fotoniskā kristāla šķiedrā ar dobu kodolu. Nesen viņi ir izveidojuši daudzus metrus garas optiskās šķiedras no saviem jaunajiem materiāliem.

Fotoniskā apdare

Esošo optisko šķiedru izmantošana būs grūts uzdevums. Tradicionālās stikla šķiedras ir optimizētas vairāku gadu desmitu laikā un tiek ražotas, izmantojot labi iesakņojušos tehnoloģiju. Turpretim jaunās fotoniskās šķiedras veido nezināmu ražošanu. Pirmkārt, to struktūrai jābūt precīzai. Esošās [ražošanas] sistēmas vienkārši nav piemērotas tam, atzīst Rasels.

Tomēr uzņēmumi gatavojas risināt komercializācijas izaicinājumus. Finks saka, ka OmniGuide strādā pie produktu sērijas, kuru pamatā ir dažāda garuma šķiedras. Projekti ietver aktīvās šķiedras ierīču izstrādi optiskajai komutācijai, kā arī šķiedru izstrādi gaismas caurlaidībai virs 10 līdz 100 metriem, kas varētu būt noderīgas, piemēram, serveru savienošanai nelielos attālumos. Finks saka, ka vislielākā ietekme būs tālsatiksmes šķiedrām telekomunikāciju tīkliem, taču tas prasīs nedaudz laika.

Pētnieki no Bath grupas ir uzsākuši savu spinoff BlazePhotonics un ir nodrošinājuši finansējumu no riska kapitāla uzņēmumiem Apvienotajā Karalistē un Amerikas Savienotajās Valstīs. Dānijā uzņēmums Crystal Fibre, ko nodibināja Dānijas Tehniskās universitātes Lyngby zinātnieki, kuri agrāk bija Bath grupas līdzstrādnieki, ražo fotoniskās šķiedras ar cietu stikla serdi. Lai gan tā sākotnējie produkti varētu kalpot tādiem mērķiem kā gaismas ierobežošana augstas precizitātes lāzeros, neviens nezaudē no redzesloka lielo balvu. Telekomunikācijas noteikti ir vidēja termiņa mērķis, saka izpilddirektors Maikls Kjērs.

Tāpat kā Dānijas Crystal Fibre dibinātāji, arī Korningas zinātnieki pagātnē ir cieši sadarbojušies ar Bath pētniekiem, taču tagad viņi paši brauc uz tirgu. Džims Vests ziņo, ka uzņēmums tagad var izgatavot fotoniskās šķiedras līdz simts metru garumā. Taču viņš patur spriedumu par to, vai jaunie materiāli galu galā pārveidos informācijas lielceļu. Viņš norāda, ka parastās optiskās šķiedras ir grūti uzlabot. Tikai tad, kad sākat strādāt ar vismodernākajām versijām, jūs saprotat, cik tās ir ievērojamas.

Lai gan gaismas sūtīšana pa gaisu var atrisināt daudzus mūsdienu šķiedru ierobežojumus, tā rada savas problēmas. Pirmkārt, gaisa sastāvs nav vienmērīgs; tā rezultātā dažādās pasaules daļās gaisma var tikt pārraidīta atšķirīgi. Gaiss Apvienotajā Karalistē ļoti atšķiras no gaisa Sahārā, skaidro West.

West saka, ka tā ir aizraujoša tehnoloģija par jaunās paaudzes fotoniskām kristāla šķiedrām, taču vēl tāls ceļš ejams.

Tomēr, ja šie jaunie materiāli beidzot izmantos savu potenciālu pārveidot tālsatiksmes pārraidi telekomunikāciju nozarē, tas būs ceļojums, kuru vērts doties.

paslēpties

Faktiskās Tehnoloģijas

Kategorija

Bez Kategorijas

Tehnoloģija

Biotehnoloģija

Tehniskā Politika

Klimata Izmaiņas

Cilvēki Un Tehnoloģijas

Silikona Ieleja

Datortehnika

Žurnāls Mit News

Mākslīgais Intelekts

Kosmoss

Gudrās Pilsētas

Blockchain

Funkcijas Stāsts

Absolventu Profils

Absolventu Savienojums

Mit News Funkcija

1865. Gads

Mans Skats

77 Mass Ave

Iepazīstieties Ar Autoru

Profili Dāsnumā

Redzēts Universitātes Pilsētiņā

Absolventu Vēstules

Jaunumi

2020. Gada Vēlēšanas

Ar Indeksu

Zem Kupola

Ugunsdzēsības Šļūtene

Bezgalīgi Stāsti

Pandēmijas Tehnoloģiju Projekts

No Prezidenta

Vāka Stāsts

Foto Galerija

Ieteicams